用于检测工件表面拓扑结构的测量方法及测量装置与流程

本发明涉及一种借助相干断层扫描仪检测工件的表面拓扑结构的测量方法，其中，借助机械手和/或偏转单元、沿实际路径引导相干断层扫描仪的参考臂的测量区域，所述实际路径由于干涉效应、特别是机械手的循迹误差而至少部分偏离目标路径；以及在实际路径的至少一个测量点处，测量所述测量区域的零点与工件表面之间的实际距离。

此外，本发明还涉及一种用于检测工件的表面拓扑结构的测量装置，包括：相干断层扫描仪，用于测量相干断层扫描仪的测量区域的零点与工件表面之间的实际距离；机械手和/或偏转单元，用于沿实际路径引导测量区域，以及运算单元，用于补偿测量误差，特别是循迹误差。

背景技术：

这类测量方法在现有技术中已众所周知，特别是用于确定借助加工激光器所制焊缝的质量等。在此情形下，通常能够借由机器人和/或偏转单元实现待检测工件与扫描头之间的相对运动。这样就能扫描并分析工件的表面。机器人的轴调节器尝试接近目标路径，以便获得尽可能准确的结果。但由于轴对命令的响应延迟，时常导致循迹延误，这会对整体分析产生负面影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供用于检测表面拓扑结构的测量方法及测量装置，其可靠地确定有质量保证的测量结果。

本发明用以达成上述目的的解决方案为具有独立权利要求1和15所述特征的测量方法及测量装置。

本发明提出一种借助相干断层扫描仪检测工件的表面拓扑结构的测量方法。在此情形下，借助机械手和/或偏转单元，沿实际路径引导相干断层扫描仪的参考臂的测量区域。优选地，机械手是工业机器人，其除制造方法之外还能够执行定位及测量任务。此外，相干断层扫描仪的参考臂能够借助偏转单元、特别是多个活动反射镜沿着待分析的表面拓扑结构或横向于该待分析的表面拓扑结构而有针对性地引导。在此情形下，待分析的表面拓扑结构例如可以是反冲的焊缝或切口和/或前导的边棱或凸肩。基于该表面拓扑结构，优选生成运动规划，以便沿着该运动规划引导测量区域，而特别是沿着目标路径引导测量区域。

在实际路径的至少一个测量点处，测量该测量区域的零点与工件表面之间的实际距离。在此情形下，测量区域优选与参考臂同轴延伸和/或尺寸为约10至20 mm，特别是仅有一半的测量区域可用。零点优选将测量区域基本上对分，使其大致位于测量区域的中心。在测量区域内确定目标路径期间，工件表面位于零点略上方或略下方。借助相干断层扫描仪，测量零点与工件表面之间的实际距离。为至少就一次扫描来测量表面拓扑结构，逐点执行多次测量，以便针对每个测量点测量实际距离。然后，可以将这些实际距离存储为高程像素，可能附带其他值，诸如强度和/或质量。

实际路径由于干涉效应而至少部分偏离目标路径。因此，例如机械手的机械惯性会导致循迹误差，这样实质上目标路径的规划测量点会比实际路径的规划测量点超前。同样，偏转单元的摆动可能导致失真的测量结果。

本发明提出，为补偿对至少一个测量点的干涉效应，特别是预先（即在测量之前）设定参考臂的规划路径长度。这个规划路径长度对应于参考臂在相应测量时间点的规划长度，将该长度假定或确定为自由长度并且不对其进行测量。用户可以基于经验值来设定规划路径，以便减少计算量。然后，借助规划路径长度，将实际测得的零点与材料表面之间的实际距离标准化为标准距离。结果，这个测量点和后续测量点参考同一起始点，以便能够对比高程像素。只有这样才能最终得出关于表面拓扑结构的结论，而高程像素却无误差。因此，能够采用简单的方式通过计算补偿失真干涉的结果，而不必从根本上更改测量装置。

有利地，针对至少一个测量点，存储测量数据记录作为用于计算标准距离的初始信息。在此情形下，测量数据记录通过参考臂的实际光路长度、测得的实际距离以及规划路径长度来确定。参考臂的实际光路长度通过系统内光源与测量区域的零点之间的距离来确定。有鉴于此，实际光路长度是已知的长度，其可以采用机械手和/或偏转单元来单独调整。从基本上布置于参考臂在工件侧一端的零点开始，测量实际距离。规划路径长度可以作为距离值来计算，但也可能几乎任意设定。将测量数据记录存储在存储单元。基于测量数据记录，可以收集足够的数据来保证质量，从而即使将测量结果标准化为标准距离之后也能够详细了解该测量结果。

此外还有利地，根据由测量数据记录得出的计算值与规划路径长度之差，计算标准距离。在此情形下，该计算值由实际光路长度与测得的实际距离之和或之差得出。计算值是由和值还是差值得出最终取决于零点的位置。标准点的位置起初并不重要，但在不同的情况下也可能将其考虑在内。在本发明的一种有利方案中，测量区域的零点以及标准点布置于工件上方。在本发明的另一种替代方案中，测量区域的零点布置于工件上方，而标准点布置于工件下方。在这两种情况下，零点均位于工件上方，根据实际光路长度与实际距离之和算出计算值。相反，如果零点位于工件下方，则根据实际路径长度与实际距离之差算出计算值。在此情形下，测量区域的零点以及标准点可以布置于工件下方。但同样也可设想，测量区域的零点布置于工件下方，而标准点布置于工件上方。由于标准距离的计算简单以及该测量方法过程中放置计算部件的各种可能性，这就能够轻松适应各种不同的情况。

有利地，为使多个测得的实际距离标准化，设定标准线，其中，这尤其由用户基于经验值来完成。根据逐点测量，从中最终生成实际路径，每次测量设定某个标准点。然后，将各个标准点连接成标准线。然而，不一定必须针对每个测量点构建相关的标准点。原则上，单个标准点便足以参考实际距离。在此情形下，标准点或标准线可以布置于工件上方或下方。借助标准化，很容易就能形成标准距离，从而仅以少量工作便能补偿干涉。

此外，有利地，标准线的定义与目标路径无关或相关。通常，由专业人士执行对表面拓扑结构的检测，他们根据接近目标路径的经验值设置标准线。然而，为免因错误设定标准线而导致误差，也可以完全脱离目标路径而确定标准线。作为替代方案，同样有利地，根据预期或预设的目标路径来定义标准线。在此情形下，标准线可以至少部分与目标路径相同。同样可以设想，标准线与目标路径相似。此外，只有个别值、特别是初值和/或终值可以与目标路径相同。标准线可以不依赖于用户的知识来设定，这样在各种情况下均能确保标准化的正确性。

有利地，标准线至少局部设定为直线和/或曲线。作为替代或补充方案，有利地，标准线至少局部布置于工件表面上方和/或下方。根据用户的知识水平和表面的复杂度来选择标准线的形成方式。然而，在设定目标路径期间，应注意确保构件在整个测量过程中位于工件上方或下方。如果可能，在测量期间所选的区域应保持不变，因为事后无法再根据测量数据记录追溯究竟在哪一侧执行的测量。

有利地，基于标准线，特别是借助运算单元，针对每一个测量点确定和/或保存与其相关的参考臂的规划路径长度。这样就能针对相应测量点的每个测得的实际距离来测量标准距离。

此外还有利地，与相应测量点相关的规划路径长度作为标准线与系统内参考点之间的距离来确定。规划路径长度是纯粹的规划数据，借助该规划数据，能够抵偿循迹误差及类似误差。原则上也可设想，使用与系统无关的任意值来定义规划路径长度。

此外还有利地，根据目标路径和/或标准线，生成用于偏转单元和/或机械手的运动规划。在此情形下，针对每个测量点，通过轴控制器转移机械手或偏转单元的目标位置。借助轴控制器，根据预定的额定值调节机械手或偏转单元。然而，无法无限快速地完成机械手或偏转单元的调节，因此产生使测量结果失真的循迹延误，通过标准距离对其进行补偿。

有利地，在测量之前设定目标路径，使得待测量工件表面沿着目标路径移动时位于测量区域内。这样就能确保可靠地进行测量。

为使工件在整个测量期间处于测量区域内，有利地，参考臂的实际光路长度根据目标路径来相应调整。根据待检测的工件，用户指定目标路径，以便工件在理想假设的测量的整个时段内布置于测量区域中。通过机械手或偏转单元的轴控制器预设其运动，以便分别依次逼近规划中的测量点，从而最终形成实际路径。这样预设目标路径并且根据该目标路径来控制机械手或偏转单元确实可能因循迹误差或趋平而无法完全保证工件在实际路径的进程中始终处于测量区域内。但这种概率极低，因为至少在目标路径的进程中会考虑到工件的大致几何形状，因此误差最终仅归因于构件的惯性。通过假设标准线，也能够补偿这类缺陷。

有利地，在特别是行程和/或时间相关的线图中，借助算出的标准距离，生成工件的标准扫描图。标准扫描图基本上表示待测量的工件区域内的采样率。整个扫描图分为多个路径段，每个路径段代表某个测量点。在图中的x坐标轴上绘出这些测量点。然后，针对每个路径段，在y坐标轴上绘出标准距离。同样还可设想，按扫描的持续时间划分其测量点，而非各个路径段。该扫描图是二维扫描图。这样用户就能采用简单的方式评估工件的表面拓扑结构。

此外还有利地，借助评估算法来分析工件的标准扫描图。基于优选的数学评估算法，可以定义进一步的措施，借助这些措施，例如能够重新处理有缺陷的焊缝。

此外还有利地，拼合多个标准扫描图，以形成高程图。输入图中的值仅为测量结果赋予二维性质，因此用户仅就一次扫描就能得出表面拓扑结构。但通常需要分析整个表面拓扑结构。这样可能会将各次扫描按其顺序相应组合。从而以高程图的形式创建工件的三维图像。这样很容易就能例如评估焊缝质量。

此外，本发明还提出一种用于检测工件表面拓扑结构的测量装置。所述测量装置包括至少一个相干断层扫描仪、机械手和/或偏转单元以及运算单元。相干断层扫描仪构建用于测量相干断层扫描仪的测量区域的零点与工件表面之间的实际距离。借助机械手和/或偏转单元，可以沿实际路径引导测量区域。运算单元构建用于补偿测量误差，特别是循迹误差。

本发明规定，运算单元构建成能够利用根据前述测量方法将测得的实际距离标准化，其中所述特征可以单独存在或以任何组合形式存在。这样就能在不改变构型的情况下构建一种错误率显著下降的测量装置。

附图说明

在以下实施例中对本发明的更多优点予以描述。在附图中：

图1示出处理扫描仪与测量装置的示意图；

图2a示出检测表面拓扑结构的示意性流程；

图2b示出根据另一实施例检测表面拓扑结构的示意性流程；

图3示出用于补偿干涉效应的示意性流程；

图4示出标准化测量点的示意图；

图5示出用于标准化测量点的第二实施例的示意图；

图6示出通过几个测量点检测工件的示意图；以及

图7示出用于表示所确定的标准距离的路程相关线图。

具体实施方式

图1示出用于检测工件3的表面拓扑结构2的测量装置1的示意图。在此情形下，测量装置1借助机械手4与工件3间隔地在其上方移动。根据本实施例，机械手4是多轴工业机器人，在其自由端处布置测量装置1。测量装置1具有点距离传感器，其在本实施例中构建为相干断层扫描仪28。由此，将测量光束31、特别是激光束引导到工件表面10上。此外，测量装置1包括测量扫描仪6，借此，能够通过至少一个可旋转安装的反射镜13使测量光束31偏转。

测量装置1还可以包括处理扫描仪5，其位于测量扫描仪6的下游。处理扫描仪5包括第一偏转单元7。借助第一偏转单元7，能够通过至少一个活动反射镜9使处理扫描仪5的处理光束8、特别是激光束偏转。利用处理扫描仪5的处理光束8对工件3进行处理，即，特别是进行标记、切割或焊接。在此情形下，由测量装置1、特别是测量扫描仪6变动待检查的表面拓扑结构2。

根据本实施例，测量扫描仪6固定耦合到处理扫描仪5。因此，测量扫描仪6和处理扫描仪5共同通过机械手4来移动。但作为替代方案，它们也可以具有单独的机械手4。然而，测量扫描仪6也可以与机械手4分开布置。测量扫描仪6的测量光束31也可以借助第二偏转单元11相对于机械手的运动来移动，以进行距离测量。为此，第二偏转单元11具有至少一个第二反射镜13。

因此，参照图1，测量光束31的测量点17的位置受到机械手的运动、第一偏转单元7的偏转运动和第二偏转单元11的偏转运动影响。有鉴于此，这些运动相互叠加。

相干断层扫描仪28具有参考臂12，该参考臂由测量光束31的一部分光束路线形成。参考臂12在其端部区域内具有测量区域14。在此情形下，参考臂12的端部形成测量区域14的零点15。相干断层扫描仪28测量位于测量区域14内的工件表面10与零点15之间的距离。

参考臂12的长度或测量区域14在z方向上的位置可以通过调节装置（图中未示出）来更改。优选地，该调节装置集成于相干断层扫描仪28中。优选地，控制参考臂12的长度，使得工件表面10在整个测量期间处于测量区域14内。进一步选择参考臂12的长度，使得零点15在整个测量期间位于工件表面10上方或下方。参照图1，测量区域14延伸自工件3上方的区域，特别是从面向测量装置1的一侧延伸到工件3下方。在任何情况下，测量均涉及测量区域14的零点15，其基本上将该测量区域14对分。在所示的实施例中，测量区域14的零点15布置于工件3正上方。但同样也可设想，零点15置于工件3下方。

借助轴控制器16，在待检测的表面拓扑结构2上方调节参考臂12，以便能够在至少一个测量点17处测量零点25与工件表面10之间的实际距离dm。在此情形下，轴控制器16可能影响到调节装置、机械手、第一偏转单元和/或第二偏转单元。零点15或整个测量区域14的位置可以通过轴控制器16来更改，由此尤其是调节参考臂12。在所示的实施例中，测量点17处于与测量区域14的零点15相同的高度。但也可设想，测量点17布置于零点15上方或下方。

图2a和图2b示出检测表面拓扑结构2的示意性流程。在图2a和图2b中，根据待检测的表面拓扑结构2，首先预设目标路径18，根据该目标路径，应调节具有轴控制器16（图中未示出）的参考臂12、机械手4和/或测量装置1的第二偏转单元11，以便进行距离测量。本发明的目标是使测量区域14的零点15沿目标路径18移动。

如图2a所示，由机械手4（参见图1）使测量扫描仪6的参考臂12沿目标路径18移动，以便在多个测量点17处进行距离测量。然而，机械手4无法无限地快速移动，因此参考臂12并非精确地沿目标路径18引导，而是沿实际路径19引导。在此情形下，人们称之为循迹误差。从形成实际路径19的测量点17开始，特别是从零点15（参见图1）开始，借助测量扫描仪6（图中未示出）测量每个测量点17的实际距离dm。因此，实际距离dm是零点15与工件表面10之间的实际测量距离，该距离因循迹误差而失真。

图2b中所示流程的参考臂12旨在仅由第二偏转单元11（参见图1）沿目标路径18引导。然而，在此，特别是由于第二偏转单元11的第二反射镜13趋平，实际路径19也偏离规划中的目标路径18。

下面，图3和图4示出如何补偿上述干涉。图3示出用于补偿干涉效应的示意性流程。出于说明目的，图4中示意性示出将测量结果标准化。首先，由用户（图中未示出）预设目标路径18。根据待检测的工件表面10，设定目标路径18，使得工件表面10在整个测量期间布置于测量区域14内（参见图3和图4）。基于经验值来设定目标路径18。

为此，由用户（图中未示出）在编程环境20中或通常在控制单元21中预设期望的目标路径18。根据目标路径18，由编程环境20生成用于轴控制器16的运动规划22，使得测量光束31或参考臂12沿工件表面10引导，从而工件表面10在整个测量期间位于测量区域14内（参见图4）。基于运动规划22，优选还影响到机械手4或第二偏转单元11（图中未示出）的运动。

此外，在编程环境20中，特别是由用户预设标准线23，如图4所示。在所示的实施例中（参见图4），标准线23布置于工件表面10上方。将标准线23设定为控制单元21中的数据记录。基于标准线23，在运算单元24（参见图3）中确定参考臂12的规划路径长度lp。参照图4，规划路径长度lp可以视为位于测量装置1、特别是测量扫描仪6中的系统内参考点25与位于标准线23上的标准点26之间的距离。但规划路径长度lp最终是某个虚拟值，其不一定必然与实际测量方法相关。规划路径长度lp存储在存储单元27中。

参照图1，测量本身由相干断层扫描仪28来执行。借助相干断层扫描仪28，可以确定从测量区域14的零点15到工件表面10的实际距离dm（参见图4）。另外，确定从扫描头（图中未示出）延伸到测量区域14的零点15的实际光路长度li。除实际光路长度li之外，实际距离dm以及规划路径长度lp也作为测量数据记录29存储在存储器单元27中。

此时，为能补偿干涉效应，参照图3，由运算单元24进一步处理测量数据记录29。为此，针对每一个测量结果确定标准距离dn（参见图4）。就所示的实施例而言，为能确定标准距离dn，需首先计算实际光路长度li与测得的实际距离dm之和。由此产生用于进一步处理的计算值。随后，得出计算值与规划路径长度lp之差。由此算出的值是标准距离dn。这就是参考标准线23的距离，由此得到标准化。

采用相同的方式，针对多个测量点17进行处理，其中针对每个测量点17，确定各自的规划路径长度lp、测得的实际距离dm和实际光学路径长度li，并将它们存储在存储器单元27中。通过连接多个实际测量点17，形成实际路径19。

下文对如图5至图6所示的替代实施例的描述中，与如图4所示的第一实施例相比，在设计和/或作用模式方面相同和/或至少相当的特征使用相同的附图标记。这些特征的设计和/或作用模式对应于前述特征的设计和作用模式，除非另作详细说明。

因此，图5示出用于使干涉效应标准化的第二种实施例。在此，目标路径18和标准线23布置于工件3下方。用于计算标准距离dn的计算值由实际路径长度li与实际距离dm之差得出。此外，标准距离dn由规划路径长度lp与计算值之差得出。

在未示出的另一种实施例中，还可设想，标准线23布置于工件3上方，而目标路径18布置于工件3下方。此外还可设想，目标路径18布置于工件3上方，而标准线23布置于工件3下方。有利地，它们相对于工件表面10的位置在整个测量期间不会改变，即，它们分别位于工件表面10的上方或者位于其下方。

图6示出经由三个测量点17对工件表面10的整体检测。根据用户假设的工件表面10，形成目标路径18。在笛卡尔空间中，标准线23布置为直线并且与目标路径18局部相同。根据目标路径18，由编程环境20生成用于轴控制器16的运动规划22（参见图3），以便由测量扫描仪6相继逼近所有三个测量点17。然而，由于轴控制器16的惯性，未能根据目标路径18逼近测量点17，而伴随干涉效应。结果，每个测量点17的零点15未处于目标路径18上，而是在其上方或下方。通过连接各个零点15，形成实际路径18。

然后，从测量扫描仪6开始到相应的零点15，针对每个测量点17确定实际路径长度li。此外，通过相干断层扫描仪28（图中未示出），针对每个测量点17，确定从零点15开始的实际距离dm。同样，针对每个测量点17，设定相关的规划路径长度lp。就此，规划路径长度lp从系统内参考点25开始延伸到标准点26。如上所述，通过根据计算值与规划路径长度lp得出的差值，计算标准距离dn。然后，借助数学评估算法，可以分析并进一步处理所算出的标准距离dn。

图7示意性示出如何路径相关的线图23中表示标准距离dn。为此，线图23具有x轴。在x轴上绘出测量点14，测量点14均匀分布于测量结果中。在图7中，每个测量点14按照测量它们的顺序在线图30中绘制并标明。参照线图23，在扫描时段内，在七个测量点17处测量实际距离dm。针对每个测量点17，计算标准化的标准距离dn。在线图23的y轴上绘出每个算出的标准距离dn。

本发明不限于图示和描述的实施例。在权利要求的范畴内，也可能存在多种变型，如不同实施例中图示和描述的多个特征的组合。

参考标记清单

1 测量装置

2 表面拓扑结构

3 工件

4 机械手

5 处理扫描仪

6 测量扫描仪

7 第一偏转单元

8 处理光束

9 第一反射镜

10 工件表面

11 第二偏转单元

12 参考臂

13 第二反射镜

14 测量区域

15 零点

16 轴控制器

17 测量点

18 目标路径

19 实际路径

20 编程环境

21 控制单元

22 运动规划

23 标准线

24 运算单元

25 参考点

26 标准点

27 存储单元

28 相干断层扫描仪

29 测量数据记录

30 线图

31 测量光束

dm 实际距离

dn 标准距离

li 实际路径长度

lp 规划路径长度。